基于有限元分析的汽车转向支持桥设计

基于有限元分析的汽车转向支持桥设计摘要我国作为一个发展中国家，汽车使用越来越多，而当前由于设计方案所限，不能精确地选择零部件的尺寸和结构，造成有的地方强度不够，而有的地方强度又过剩，严重地影响了产品的开发和设计，造成直接经济损失。特别对于诸如转向支持桥等部件,因不能准确确定其失效原因和部位，造成不能从根本上解决其失效问题。不同类型的货车在我国的市场中占有相当大的比例，他们的性能的好、坏在一定程度上也影响着汽车在市场上的地位。针对以上问题，本设计选用汽车转向支持桥作为设计对象，通过有限元分析及合理的计算，结构设计，而达到汽车转向支持桥具有较好的转向灵敏性。转向支持桥是汽车底盘的重要总成，它直接与转向系统和悬架等相联系，用来实现汽车的转向、前轮定位和支撑作用。课题研究对象是后轮驱动汽车的转向支持桥，主要零件包括前梁、主销、转向节等，这些关键零部件的设计对整个转向支持桥性能具有很大的影响。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行转向支持桥设计不但可以获得最佳的转向支持桥基本参数，还可以大大缩短转向支持桥总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。通过本课题的研究学生可以完成理论课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的研究工作方法，提高科研工作素质。本文主要的设计内容如下:（1）转向支持桥主要零部件的设计；（2）主要零部件的有限元分析与优化；（3）主要零部件的设计修正；（4）在键词: 有限元，汽车，转向支持桥，转向节，主销as a of of in is as to in s s in in a In of of to to is It is to of of on of a of to of is On to of of of a of of of 1)2)3)4).论.引言.转向支持桥的定义.转向支持桥的安装形式.转向支持桥的结构.向支持桥的组成部分. 向支持桥的结构及其影响因素. . .向支持桥设计计算.前桥的结构形式. 转向支持桥主要零件尺寸的确定. 向从动桥前梁应力计算. 制动情况下的前梁应力计算. 最大侧向力（侧滑）工况下的前梁应力计算.转向节在制动和侧滑工况下的应力计算. 况下的转向节应力计算. 汽车侧滑工况下的转向节应力计算. 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算.汽车制动工况下的计算. 汽车侧滑工况下的计算. 力轴承和止推垫片的计算. 力轴承计算. 向节止推垫片的计算. . . .轮辋的尺寸计算.向支持桥关键零件的有限元分析及优化.有限元法和. . .材料属性及单位制.单元选择与网格划分.边界处理.运算及结果分析.优化分析. .车使用越来越多，而当前由于设计方案所限，不能精确地选择零部件的尺寸和结构，造成有的地方强度不够，而有的地方强度又过剩，严重地影响了产品的开发和设计，造成直接经济损失。特别对于诸如转向支持桥等部件,因不能准确确定其失效原因和部位，造成不能从根本上解决其失效问题。不同类型的货车在我国的市场中占有相当大的比例，他们的性能的好、坏在一定程度上也影响着汽车在市场上的地位。针对以上问题，本设计选用汽车转向支持桥作为设计对象，通过有限元分析及合理的计算，结构设计，而达到汽车转向支持桥具有较好的转向灵敏性。前桥即非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。前桥还要承受和传递制动力矩。根据从动车轮能否转向，前桥分为前桥与非前桥。一般汽车多以前桥为前桥。为提高操纵稳定性和机动性，有些轿车采用全四轮转向。多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采用两根以上的前桥直至全轮转向。一般载客汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向前桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是前桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。前桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架相匹配的非断开式前桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是前桥时，则其两端经转向主销与转向支持桥相联。断开式前桥与独立悬架相匹配。非断开式转向前桥主要由前梁、转向支持桥及转向主销组成。转向支持桥利用主销与前梁铰接并经一对轮毂轴承支承着车轮的轮毂，以达到车轮转向的目的。在左转向支持桥的上耳处安装着转向支持桥臂，后者与转向直拉杆相连；而在转向支持桥的下耳处则装着与转向横拉杆相连接的转向梯形臂。有的将转向支持桥臂与梯形臂连成一体并安装在转向支持桥的下耳处以简化结构。转向支持桥的销孔内压入带有润滑油槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在转向支持桥上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有螺纹的楔形锁销将主销固定在前梁拳部的孔内，使之不能转动。前桥的功用：前桥也称非驱动桥，又称从动车轴。它通过悬架与车架（或承载式车身）相联，两端安装从动车轮，用以承受和传递车轮与车架之间的力（垂直力、纵向力、横向力）和力矩，并保证转向轮作正确的转向运动。向支持桥是利用车桥中的转向支持桥使车轮可以偏移一定角度，并承受地面与车架之间的力及力矩，以实现汽车的转向。前桥通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动午轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。前桥还要承受和传递制动力矩。前桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。前桥按与之匹配的悬架结构不同可分为非断开式与断开式两种。由于小型载客汽车要求价廉，所以多采用非断开式前桥。非断开式的前桥主要有前梁，转向支持桥和转向主销组成。要由前梁、转向支持桥组成。一般载客汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向从动桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野车均为全轮驱动，故他们的前桥既是转向支持桥也是驱动桥，称为转向驱动桥。转向支持桥按与其匹配的悬架结构不用，又可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架匹配的非断开式的转向支持桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向支持桥时，其两端经转向主销与转向支持桥相连。断开式转向支持桥与独立悬架相匹配。向支持桥的组成部分各种车型的非断开式转向支持桥的结构型式基本相同，它主要由前梁（由于汽车前桥为转向支持桥，因此其横梁常称前梁）、转向支持桥、转向主销、转向梯形臂、转向横拉杆等组成。1)前梁前梁是非断开式转向从动桥最主要的零件，由中碳钢或中碳合金钢模锻而成。其两端各有一呈拳形的加粗部分作为安装主销前梁拳部。为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字行断面，并相对两端向下偏移一定距离，以便降低汽车发动机的安装位置，从而降低汽车传动系的安装高度并减小传动轴万向节主、从动轴的夹角；为提高前梁的抗扭强度，两端与拳部相接的部分采用方形断面，而靠近两端使拳部与中间部分相连接的向下弯曲部分，则采用上述两种断面逐渐过度的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽支承面。非断开式转向从动桥的前梁亦可采用组合式结构，即由无缝钢管的中间部分和模锻成型的两端拳形部分组焊而成。这种组合式前梁适用于批量不大的生产，并可省去大型锻造设备。2)主销其结构型式有几种，如图2中（a）、（b）两种型式是最常见的结构。3)转向支持桥多用中碳合金钢断模锻成整体式结构，有些大型汽车的转向支持桥，由于其尺寸过大，也有采用组焊式结构的，即其轮轴部分是经压配并焊上去的。4)转向支持桥臂、转向梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如40、350采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度和刚度。5)转向横拉杆应选用刚性好、质量小的20钢，30钢或35钢的无缝钢管制造，其两端的球形铰接作为单独组件，组装好后以组件客体上的螺纹旋到杆的两端端部，使横拉杆的杆长可调，以便用于调节前束。球形铰接的球销与衬垫均采用低碳合金钢如1200作表面经渗碳淬火，面硬度5663许采用40或45中碳钢制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处用滚压工艺增强，球形铰接的壳体用35钢或40钢制造。为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺；亦可采用耐磨性好的工程塑料制造衬垫。后者在制造过程中可渗入专门的成分（例如尼龙对这类衬垫可免去润滑。图1a)圆柱实心型；(b)圆柱空心型；(b)(c)上、下端为直径不等的圆柱、中间为锥体的主销；(d)下部圆柱比上部细的主销6)转向支持桥推理轴承承受作用于汽车前梁上的重力。为减小摩擦使转向轻便，可采用滚动轴承，如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承等。也有采用青铜止推垫片的。7)主销上、下轴承承受较大的径向力，多采用滚动轴承（即压入转向支持桥上、下中的衬套），也有采用滚针轴承的结构。后者的效率较高，转向阻力小，且可延长使用寿命。8)轮毅轴承多由两个圆锥滚子轴承组对，这种轴承的支承刚度较大，可承受较大负荷。轿车因负荷较轻，前轮毅轴承也有采用也有采用一对单列或一个双列向心轴承的，球轴承的效率高，能延长汽车的滑行距离，有的轿车采用一个双列圆锥滚子轴承。9)左、右轮胎螺栓多数为右旋螺纹，但有些汽车为了防松，左侧用左旋，右侧用右旋。向支持桥的结构及其影响因素非断开式转向支持桥主要由前梁、转向支持桥及转向主销组成。转向支持桥利用主销与前梁铰接并经一对轮毅轴承支承着车轮的轮毅，以达到车轮转向的目的。在左转向支持桥的上耳处安装着转向梯形臂，后者与转向直拉杆相连；而在左、右转向支持桥的下耳处则装有与转向横拉杆联接的转向梯形臂。有的将转向支持桥臂与转向梯形臂联成一体并安装在转向支持桥的下耳处以简化结构。制动底版紧固在转向支持桥的凸缘面上。转向支持桥的销孔内压入带有润滑槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在转向支持桥下耳与前梁拳部之间可装滚子推力轴承，在转向支持桥上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有罗纹的楔形锁销将主销在前梁拳部的孔内，使之不能转动。的主要功能是承载和转向,即支撑车体重量,传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩等。因此,对转向支持桥的外形结构和机械性能有严格的要求。根据车型,转向支持桥可分为重型汽车转向支持桥、中型汽车转向支持桥、轻型汽车转向支持桥、微型汽车转向支持桥、客车转向支持桥和轿车转向支持桥六大类;按所用的材料和制造方法分为锻钢转向支持桥、铸铝转向支持桥和铸铁转向支持桥三种;按其形状特征分为长杆类转向支持桥、中心孔类转向支持桥和套管类转向支持桥三种,长杆类转向支持桥主要由杆部、法兰和枝权构成,一般多用于大中型汽车和大客车中;中心孔类转向支持桥主要由基座、法兰和枝权构成,基座中心带孔,一般多用于前桥驱动的轿车当中;套管类转向支持桥主要由长杆、套管和法兰构成。国内外诸多学者对汽车转向支持桥的研究主要有两类。第一类研究主要是对转向支持桥的制造工艺和加工方法等方面进行研究。早期生产转向支持桥采用热模锻工艺,如李尊荣研究了重型汽车转向支持桥热模锻工艺;罗晴岚等4研究了热模锻生产线上转向支持桥的工艺特点和模锻变形力等。之后,张运军、高占民等人6讨论了汽车转向支持桥及转向支持桥臂的锻造工艺,认为采用锤上锻操作方便,节省材料;董之社7采用半封闭挤压生产工艺,与锤锻相比单只锻件可节约原材料。近年来,有限元数值模拟方法逐步应用于转向支持桥的制造加工当中,如郑运廷等人8采用刚塑性有限元法对矿用汽车转向支持桥预锻成形进行二维模拟;赵德颖、孙惠学等人详细分析了轿车转向支持桥的特点和目前轿车转向支持桥成形工艺的问题,提出在16利用分析软件对成形过程进行有限元模拟;徐宁宁、陈文琳等人通过实验研究,进一步说明了有限元数值模拟技术的实用性和可靠性。国外研究者提出了转向支持桥的半固态成形工艺,并对半固态成形汽车转向支持桥进行了深入研究,取得一定进展。第二类研究主要是对转向支持桥的强度、刚度、疲劳失效等方面进行研究。冯美斌等人按照汽车行驶过程中的三种典型工况对转向支持桥进行了受力分析,在此基础上得出了转向支持桥名义工作载荷的计算方法,介绍了电动谐振式转向支持桥疲劳试验装置,并进行试验测定了算了其安全系数。刘惟信在汽车从动桥设计中对转向支持桥在制动和侧滑工况下的应力进行了计算,计算中采用材料力学横力弯曲计算正应力的强度校核公式,计算结果满足许用应力值。冯大碧等人20对某型客车的左前轮转向支持桥断裂截面进行金相检验、扫描电镜,认为断裂性质为早期疲劳断裂;吴海平等人通过对相检查和扫描电镜下观察,认为组织中夹杂物的存在和外壁附近大量渗碳体的出现是造成转向支持桥断裂的主要原因;董启生等人22对转向支持桥的断裂原因进行了综合全面的探讨,在对其设计、加工、热处理、检验、装配及使用等一般过程存在的失效因素进行分析的基础上,提出了改进和预防的措施。此外,文献23对汽车转向支持桥臂断裂的原因进行了研究,通过金相检查和扫描电镜对转向节臂的断裂截面进行宏、微观组织分析,认为断裂性质为疲劳断裂。近些年来,有限元分析软件的大量应用为分析转向支持桥提供了有力的工具。文献26用有限元分析软件对转向支持桥进行了强度分析,计算了三种典型工况下转向支持桥的应力值和应力分布,得到了转向支持桥结构设计的薄弱环节,为改进设计提供了依据。郭彬彩、韩国立等人29一3-对某重型汽车(斯太尔)转向支持桥进行了研究,其中,郭彬彩29利用过接口导入国立等将三维软件建立的实体模型导入用蒙特卡洛法分析了转向支持桥的可靠性;此外,毛向阳32也研究了该类斯太尔转向支持桥,将对转向支持桥进行了模态分析。江迎春33用多体动力学软件在出了解决转向支持桥疲劳寿命的计算方法,为转向支持桥疲劳寿命设计提供了思路。蒋玮36采用脚进行了应力分析和疲劳分析,并用试验装置验证了有限元结果的可靠性,从而建立了一条合理可行的汽车零部件开发流程。王延强、王若平等人37用此基础上考虑零件材料疲劳特性、平均应力等影响因素,算了疲劳寿命,并提出了改进疲劳强度措施,如改进零件结构以减少应力集中、降低表面粗糙度、进行表面强化处理等,最后通过疲劳仿真对改进措施的效果进行了比较分析。0究了锻钢、铸铁、铸铝三种材质的转向支持桥在加工方法、制造工艺、静强度和疲劳寿命等方面的差异,以试验台架为基础对各类转向支持桥进行疲劳试验,认为锻钢转向支持桥性能较好,并对锻钢转向支持桥以减轻重量、减少加工成本为目标进行了改进优化。立了长杆类转向支持桥的有限元分析模型,在有限元分析的基础上对转向支持桥的疲劳寿命进行了研究。此外,文献44研究了转向支持桥的疲劳特性,分析了失效原因。从以上的国内外研究现状来看,汽车转向支持桥研究有以下几个发展趋势:(1)制造加工方法方面。转向支持桥的制造加工由普通的模锻、锤锻等锻造工艺向挤压工艺发展,并采用数值方法模拟工艺过程来预测制造过程的缺陷等;除此之外,一些先进制造技术和其他新方法也开始应用于转向支持桥的制造加工。(2)强度、使用寿命等方面。大量文献研究了转向支持桥强度失效的原因分析,通过对失效件化学分析、金相检查等,认为转向支持桥强度失效原因为疲劳断裂所致,因此,对转向节强度的研究从静态应力、满足静强度要求向动态特性、满足疲劳强度等方向发展。(3)研究分析的方法方面。转向支持桥的分析计算从传统材料力学梁弯曲理论的近似计算向有限元法等数值计算方法发展,疲劳强度的研究也向有限元疲劳仿真等方向发展,这些数值方法的应用大大提高了分析计算的精度。(4)优化设计方面。从现有的文献资料看,转向支持桥优化设计方面的研究主要在制造方法的改进方面,对其进行结构优化的研究非常少,主要原因是转向支持桥类型多样、结构复杂,结构优化设计的难度较大。近几年来,国外已呈现出对转向支持桥进行结构优化的研究兴趣,因此,该领域的研究将成为转向支持桥研究的又一重要领域和趋势。文的主要内容转向支持桥是汽车底盘的重要总成，它直接与转向系统和悬架等相联系，用来实现汽车的转向、前轮定位和支撑作用。课题研究对象是后轮驱动汽车的转向支持桥，主要零件包括前梁、主销、转向支持桥等，这些关键零部件的设计对整个转向支持桥性能具有很大的影响。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行转向支持桥设计不但可以获得最佳的转向支持桥基本参数，还可以大大缩短转向支持桥总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。通过本课题的研究学生可以完成理论课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的研究工作方法，提高科研工作素质。本文主要的设计内容如下:（1）转向支持桥主要零部件的设计；（2）主要零部件的有限元分析与优化；（3）主要零部件的设计修正；（4）在二章 1）前桥结构形式：无缝钢管的中间部分和模锻成型的两端拳形部分组焊而成前桥加叉形转向节主销。（2）转向节结构型式：整体锻造式。（3）主销结构型式：圆柱实心主销。（4）转向节推力轴承结构形式：滚动轴承(调心球轴承)。（5）主销轴承结构形式：滚针轴承（6）轮毂轴承结构形式：单列向心球轴承（7）轮胎螺栓：左侧左旋，右侧右旋16吨专用载货汽车参数:整车总质量：16000车42，后桥驱动；轴荷空载：3460/2200；轴荷满载：6000/10000。发动机最大转矩：50400；前后轮距：1914/1860；轮胎规格：布置整车参数见表2表2） 前桥轴载重量（N） 汽车质心至前桥中心线距离L （汽车质心至后轴中心线距离L (轴距L（前轮距B (前钢板弹簧座中心距s(56800 60000 850 1914 1200主销中心距(汽车质心高度hg(车轮滚动半径rr(主销内倾角 主销后倾角 前轮外倾角a 前轮前束（150 840 509 6 2 1 向支持桥主要零件尺寸的确定转向支持桥采用工子形断面的前梁，可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大、强度高。工字形断面尺寸值见图3中虚线绘出的是其当量断面。该断面的垂向弯曲截面系数00303=54104 3h=7000=03 3中：a工字形断面的中部尺寸，见图3采用经统计取得的经验公式：Wv=200=600060/2200=3中：m作用于该前梁上的簧上质量，kg;l车轮中线至板簧座中线间的距离，200系数，kg向支持桥前梁拳部之高度约等于前梁工字形断面的高度，销上、下滚动轴承（即压入转向节上、下孔中的衬套）3有关参数为：前轴轴荷：6000车质心高度：840动半径：508要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承（即转向节衬套）、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。绘制计算用简图时可忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角及车轮外倾角均为零，而左、右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面内，如图（3示3。图3a）制动工况下的弯矩图和转矩图；（b）向从动桥前梁应力计算应力 M /向节的危险断面处于轴径为剖面处。图3况下的转向节应力计算转向节在剖面处的轴径仅受垂向弯矩制动力矩不经转向节的轮轴传递，而直接由制动底板传给在转向节上的安装平面。这时可按计算其需以（60000150=06 N3h= 21G 000050=9106 N3中：前轮所承受的地面垂向反力，N；轮胎与路面的附着系数；轮胎中心线至剖面间的距离150。剖面处的合成弯曲应力 w 为w = 31 2222 1.0 d M = 3 22 0000008770000 =3中：转向节轮轴根部轴径向节采用300部硬度241285频淬火后表面硬度5765轴根部的圆角滚压处理。汽车侧滑工况下的转向节应力计算在汽车侧滑时，左、右转向节在危险断面处的弯矩是不等的，可按下公式求得： = 150=06 N3R=150+09=06 N、右转向节在危险断面处的弯曲应力为31 = =31 = =销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算在制动和侧滑工况下，在转向节上、下衬套的中点，即与轮轴中心线相距分别为c,侧向平面和纵向平面内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。汽车制动工况下的计算地面对前轮的垂向支承反力位于通过主轴线的侧平面内并在转向节上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力c+d）所平衡，故有)( 11 dc = 100100 18560000 =1110 N (3动力矩c+d）所平衡，故有c+d）=(c+d) =6000009/（100+100）=04N (3作用于主销的制动力衬套中点出作用的主销的力有 )( Pr dc d = 100100 10060000 =30000 N (3)( Pr dc c = 100100 10060000 =30000 N (3转向桥的俯视图可知，制动时转向横拉杆的作用力5 1l = 20018560000 =55500 N (3将需对主销作用一侧向力矩矩位于侧向平面内并作用于主销的力偶c+d）所平衡，故有)( 4= 100100 10055500 =27750 N (3力衬套中点处作用于主销的力有)( = 100100 10055500 =27750 N (3)( = 100100 1005294 =27750 N (3图3转向节上衬套的中点作用于主销的合力22 )()( = 22 )300003000()27750277501110( =04 N (3l= 22 )()( = 22 )300003000()27750277501110( =04 N (3上两式可见，在汽车制动工况下，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值计算所得到的 在汽车侧滑工况下